JP5979808B2 - 繊維を金属で被覆するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、繊維を金属で被覆するための方法および装置に関する。

特に航空の分野において、部品の強度を最小限の質量および寸法において最適化することが、不変の目標である。したがって、特定の部品は、今や、金属マトリックス複合材料からなるインサートを含んでいてもよい。そのような複合材料は、金属合金マトリックス、例えば、チタン（Ｔｉ）合金マトリックスからなり、その中を例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック繊維が延伸している。このような繊維は、チタンよりもはるかに大きな引張強度（典型的には、１０００ＭＰａに対して４０００ＭＰａ）を有するとともに、典型的には３倍も大きい剛性を有している。したがって、負荷の吸収は繊維によって行なわれ、金属合金マトリックスが、繊維間の負荷の伝達を確保するとともに、部品の残りの部分との結合機能をもたらし、互いに接触してはならない繊維について、保護および離間の機能をもたらしている。さらに、セラミック繊維は、強度は大きいが脆いため、必然的に金属によって保護されなければならない。

これらの複合材料は、ブレードなどの一体部品の補強材として、円板、軸、アクチュエータ本体、ケーシング、スペーサの製造に使用することができる。さらには、例えばブッシュまたは加圧流体タンクなどの圧力チャンバであるが、体積力の場が部品へと加わる他の分野にも、用途を見つけることができる。

そのような複合材料インサートを得るため、セラミック繊維を金属シースで被覆して形成される強化材を含む「被覆ワイヤ」と呼ばれるワイヤが、前もって形成される。金属の被覆は、ワイヤにより大きな剛性をもたらすとともに良好な靭性をもたらし、取り扱いが有用となる。複合ワイヤまたは被覆ワイヤの製造は、種々の方法、例えば、電界のもとで繊維に金属を蒸着することによって、金属粉体を使用する電気泳動によって、あるいは液体金属に繊維を浸漬被覆することによって行われる。

溶融液体状の金属（以下、「溶融液体金属」と記載する）中で繊維を被覆するための浸漬被覆法が、本出願人の名義である欧州特許第０９３１８４６号明細書に記載されている。欧州特許第０９３１８４６号明細書の方法において、溶融液体金属は、少なくとも部分的に適切な温度で坩堝の壁との接触を取り除くように、適切な坩堝中で浮遊状態で維持される。浮遊は、坩堝を囲む電磁手段を使用して得られる。把持手段によって引っ張りに維持されたセラミック繊維が、溶融液体金属を通って引っ張られる。繊維が溶融液体金属を通る速度は、繊維上での金属の所望の厚みによって設定される。

金属被覆の質に強い影響がある１つのパラメーターは、ソース高さである。ソース高さは、溶融液体金属に浸漬された繊維の瞬間高さ、すなわち、繊維が走行する液体金属ボールの高さとして定義される。ソース高さが、工程の間、一定のままであるほど、被覆の質は良好である。しかし、被覆が進むほど、浮遊されたボールの金属の質量ひいてはその体積が減少し、繊維が走行する場所でのソース高さの低下をもたらす。このように、被覆の質は、形成される被覆ワイヤの初めの長さまでだけ満足できることとなり、この長さを越えた被覆を続けることは、非常に小さな厚みの被覆をもたらす。さらに、そしていかなる場合も、この初めの長さ以下でさえ、その厚みがワイヤに沿って減少するので、被覆は不十分である。

このように、約１０ミクロンの被覆金属厚みでは、被覆は、数百メーターのワイヤの被覆後に中断されなければならない。約５０ミクロンの被覆金属厚みでは、被覆は、数十メーターのワイヤの被覆後に中断されなければならない。したがって、金属被覆方法は、工業プロセスとして実行されることができない。
欧州特許第０９３１８４６号明細書

この問題の解決法は、文献の欧州特許第０９３１８４６号明細書に記載されており、それは、坩堝の底を介して導入される金属棒を溶融液体金属に供給することにあり、それは、並進運動的に上方に移動される。しかし、この方法は、溶融ボールが、棒の接近のために熱的にあまり安定しておらず、単位時間当たり供給される質量を調節するのが簡単ではないので、完全に満足されるものではない。さらに、記載された装置は、水平に延伸された繊維で操作されることだけができ、それは制限する可能性がある。

本発明は、繊維が溶融液体金属を通して引かれて溶融液体金属で被覆される、繊維を金属で被覆する方法において、溶融液体金属に金属を供給する問題に対する別の解決法を提供することを目的とする。

この目的のために、本発明は、繊維を金属で被覆するための方法であり、繊維が、溶融液体金属を通して引かれて溶融液体金属で被覆され、溶融液体金属は、「浮遊」式坩堝内に保持され、「浮遊」式坩堝が、溶融液体金属と坩堝との接触を少なくとも部分的に取り除く方法であって、溶融液体金属に、金属粉体によって該溶融液体金属と同じ金属が供給される方法に関する。

本発明によれば、溶融液体金属に、簡単かつ効果的に金属が供給される。溶融液体金属は、非常に長時間にわたってその初期重量で保持されることができ、数キロメートルのワイヤが被覆されることを可能にする。したがって、本発明の方法は、生産性が大幅に増加するので、液体法によるワイヤの被覆が工業規模で実施されることを可能にする。

一実施形態によれば、金属粉体は、振動プレートを介して溶融液体金属中に注がれる。

そのような振動プレートを使用すると、金属粉体の流量およびその分布の均一性が、非常に正確に制御されることが可能となる。このように、ソース高さ、つまり溶融液体金属に浸漬される繊維の長さは一定であり、それによって、高品質の被覆が達成されることを可能にする。特に、セラミック繊維の被覆は、このソース高さが正確に関係することを必要とし、工業的に実行されることができる。

一実施形態によれば、金属粉体が粉体容器から振動プレートに流れ、振動プレートから溶融液体金属中に注がれる金属粉体の流量は、粉体容器と振動プレートの間の高さによって、および振動プレートの振動数によって調節される。

粉体容器と振動プレートとの間の高さ、および振動プレートの振動数によって流量を調節することによって、この流量の非常に微妙な制御が可能となり、したがって、ソース高さが一定であることを確保する。

一実施形態によれば、金属粉体供給は、連続的である。

一実施形態によれば、溶融液体金属の複数の粉体供給ゾーンに金属粉体が供給される。

一実施形態によれば、金属粉体は、重力によって溶融液体金属に供給される。

一実施形態によれば、繊維は、セラミック繊維、例えば、炭化ケイ素繊維である。

一実施形態によれば、金属は、チタン合金である。

本発明は、また、繊維が、溶融液体金属、例えば、溶融液体チタン合金を通して引かれて、溶融液体金属で被覆され、溶融液体金属は、「浮遊」式坩堝内に保持され、「浮遊」式坩堝が溶融液体金属と坩堝との接触を少なくとも部分的に取り除く、繊維を金属で被覆する装置であって、溶融液体金属中に金属粉体によって該溶融液体金属と同じ金属を供給するための粉体供給モジュールを含む、装置に関する。

装置は、上述の方法と同じ利点を有する。

一実施形態によれば、粉体供給モジュールは、溶融液体金属中に金属粉体を注ぐための振動プレートを有する少なくとも１つの粉体ディスペンサを含む。

一実施形態によれば、粉体ディスペンサは、金属粉体を振動プレートに供給するための少なくとも１つの粉体容器を含む。

一実施形態によれば、粉体ディスペンサは、金属粉体を溶融液体金属の複数の金属粉体供給ゾーンに供給する。

一実施形態によれば、粉体ディスペンサは、粉体容器と、振動プレートに金属粉体を供給するためのチューブとを含み、振動プレートは、溶融液体金属中に重力によって金属粉体を供給するチューブに金属粉体を注ぐように設計されている。

一実施形態によれば、粉体供給モジュールは、複数の粉体ディスペンサを含む。

一実施形態によれば、装置は、繊維繰り出しモジュールと、坩堝を含む繊維被覆モジュールと、繊維巻き取りモジュールとを含む。

本発明は、添付図面のプレートを参照して、本発明の方法および装置の好ましい実施形態の次の説明によって、より明確に理解されることとなる。

本発明は、チタン合金のシースに包まれた炭化ケイ素セラミック繊維を含む被覆ワイヤの形成に関して説明される。好ましくは、従来、非常に細い炭素またはタングステンワイヤが、その軸芯に沿って繊維の中心にあり、この炭素またはタングステンワイヤは、炭化ケイ素で被覆され、一方、炭素またはピロカーボンの薄い層が、炭化ケイ素をシース、したがって、拡散バリア機能をもたらすように繊維と金属との間に介装されて、繊維上に堆積された液体金属の冷却時に生じる熱膨脹差の際に、ノッチ効果に対して繊維を保護するとともに、バッファ機能を付与する。

図２を参照すると、本発明による液体法によって繊維を金属で被覆するための装置１は、ここで、炭化ケイ素セラミック繊維３を繰り出すための繰り出しモジュール２と、液体金属被覆モジュール４と、被覆モジュール４に金属粉体を供給するためのモジュール５と、形成された被覆ワイヤ７を冷却するための冷却モジュール６と、ここで、被覆ワイヤ７を巻くための巻き取りモジュール８とを含む。

繰り出しモジュール２は、セラミック繊維３が巻きつけられるリール２ａを含み、上記繊維は、第１のガイドプーリ２ｂおよび第２のガイドプーリ８ｂを介して、巻き取りモジュール８のリール８ａに繰り出される。繊維３は、２つのリール２ａ、８ａ間でテンショニングされ、２つのガイドプーリ２ｂ、８ｂ間をほぼ直線的に走行する。この直線部分では、繊維３は、被覆モジュール４を通る。

図１を参照すると、被覆モジュール４は、「浮遊」式坩堝９を含む。そのような坩堝９は、繊維３が入る第１の開口部１１と、繊維３が出る第２の開口部１２との間に延在する壁１０を有する。坩堝９は、概して、軸芯１３の周りに回転対称を有し、繊維３が２つのガイドプーリ２ｂ、８ｂ間を走行する軸芯に平行である。坩堝９の壁１０は、繊維３が坩堝９の外から坩堝９の中に通ることを可能にする少なくとも１つの長手スロット（図示せぬ）を含む。

被覆モジュール４は、また、電磁誘導器を含み、電磁誘導器は、複数のターン１４を有しており、複数のターン１４は、知られている方法で坩堝９の体積で磁界を生成するように設計されており、溶融液体金属１５のボールが、坩堝９の体積中で浮遊させられたままにされることを可能にする。ここでは、金属は、チタン合金である。金属が浮遊している場合、坩堝９の壁１０との接触が、少なくとも部分的に取り除かれる。

図１において、セラミック繊維３は、２つの位置で示されており、それらは、Ａ、Ｂによって示されている。位置Ａでは、繊維３は、坩堝９の周りを進むように非直線的に走行する。繊維３は、次いで、坩堝９の壁１０と誘導器のターン１４との間で、坩堝９の体積の外側を走行する。この位置は、停止またはスタンバイ位置であり、その位置では、セラミック繊維３は、溶融液体金属１５に接触していない。

位置Ｂでは、繊維３は、溶融液体金属１５の体積内に位置する。繊維３は、上述されたスロットを通って位置Ａから位置Ｂに移動され、スロットは、坩堝の壁１０にこの目的のために設けられている。位置Ａから位置Ｂへの移動は、例えば、引き込み可能なプーリを使用して、任意の適切な手段によっても開始されてもよい。位置Ｂでは、繊維３は、溶融液体金属１５を介して、繰り出しモジュール２から巻き取りモジュール８に繰り出される。繊維３は、次いで、金属で被覆され、坩堝９の出口開口側１２で溶融液体金属１５から被覆ワイヤ７の形態で現れる。被覆ワイヤ７は、冷却モジュール６内で冷却される。

被覆装置１は、また、上述されるように、溶融液体金属１５に金属粉体を供給するための粉体供給モジュール５を含む。溶融液体金属１５に金属粉体を供給することは、ソース高さを保持することを可能にし、ソース高さは、上述のように定義され、図１で高さＨｓによって表され、できるだけ一定である。具体的には、金属粉体の流量は、繊維３が金属で被覆されることによって溶融液体金属１５のボールの質量が減少することを補うように調節される。示された実施形態では、金属粉体１６は、溶融液体金属中に存在する金属と同じ金属、この場合、チタン合金からなる。

粉体供給１６は、溶融液体金属１５が、容易かつ効果的に供給されることを可能にする。特に、供給流量は、繊維３の被覆速度によって調節されることができる。さらに、金属粉体１６は、複数の小粒子の形態であるので、溶融液体金属１５によってその「消化」は促進される。溶融液体金属１５による金属粉体１６の用語「消化」は、作用を意味し、それによって、溶融液体金属は、それ自体に金属粉体を組み入れ、均一な集合を形成するように金属粉体を溶解する。言いかえれば、消化とは、金属粉体の固体金属粒子を溶融金属に変換することを称する。消化は、浮遊された溶融液体金属１５の電磁攪拌によって促進され、攪拌は、この溶融液体金属１５の内部に金属粉体を引っ張り、その溶融を促進し、集合物を均一にする。

被覆方法が良質であるためには、セラミック繊維３が金属で被覆されるように走行する溶融液体金属のゾーンが、溶融金属のみであり、粉体形態の金属でないゾーンであることが重要である。したがって、金属粉体１６は、問題となっているゾーンに正確に溶融されることを確保することが必要である。

このように、金属粉体１６の流量が高すぎる場合、金属粒子は溶融液体金属内で塊になり、溶融を遅らせ、溶融されることなく繊維３に付着する可能性があり、被覆ワイヤ７の質に有害となる。その一方、金属粉体１６の流量が低すぎる場合、金属が繊維３に被覆されて、ソース高さＨｓが減少するので、金属の質量は次第に減少する。

図３および図４を参照すると、供給モジュール５は、ここで、粉体ディスペンサ１７を含み、粉体ディスペンサ１７は、粉体容器１８と、振動プレート２０に供給するためのチューブ１９と、チューブ２１とを含み、チューブ２１は、溶融液体金属１５中にプレート２０から重力によって金属粉体１６を供給するための漏斗２２を有する。粉体ディスペンサ１７は、真空下、または不活性雰囲気であってもよい。

金属粉体１６は、粉体容器１８に含まれており、振動プレート２０上に供給チューブ１９中を通って自由に流れることができ、ここで、金属粉体は、小さなマウンド２３を形成する。振動プレート２０は、矢印２４によって示されるように振動され、マウンド２３から漏斗２２の上方に位置する振動プレートの端部２５まで金属粉体１６を走行させる。矢印２６によって示されるように、金属粉体１６は、次いで、漏斗２２中に、したがって、供給チューブ２１中に重力落下し、図１に見られるように、溶融液体金属１５のゾーン２７に重力によって金属粉体を案内し、ゾーン２７は、金属粉体１６を受けるとともに吸収する。このゾーン２７は、溶融液体金属１５中に金属粉体１６を供給するための粉体供給ゾーン２７とも以下に称する。金属粉体１６は、溶融液体金属１５によって取り込まれ、溶融される。溶融液体金属１５に金属粉体１６を供給するためのチューブ２１は、少なくとも溶融液体金属１５に近接するその端部に被覆を含み、被覆は、溶融液体金属１５によってもたらされる熱からチューブを保護するための熱遮蔽を形成する。溶融液体金属１５に近接して位置するこのゾーンは、例えば、円錐台形状の供給ノズルを形成してもよい（または含んでもよい）。

溶融液体金属に金属粉体１６を供給する流量は、特に、粉体容器１８を介して振動プレート２０を供給するためのチューブ１９の端部と振動プレート２０との間の高さ、振動プレート２０の振動の振動数および振幅、振動プレート２０が水平方向となす角度、および金属粉体１６の粒子サイズによって調節される。供給チューブ１９の端部と振動プレート２０との間の高さについて、これは、マウンド２３の高さが調節されることを可能にし、それは、流量に影響し、マウンドが大きければ、流量を高くすることができ、質量の大きな金属が振動プレート２０の他の端部２５で供給されることができるからである。振動プレート２０の振動の振動数および振幅、および振動プレート２０が水平方向となす角度について、それらが高ければ高いほど、流量は高くなる。最後に、金属粉体１６の粒子サイズについて、これが大きければ大きいほど、振動によって金属粉体１６を移動させることは容易ではなく、したがって、流量は低くなる。

付随的に、繊維３に堆積される金属の厚みに対するセラミック繊維３の走行速度の影響は、線形ではないことが、図６を参照して注意されるべきである。この影響は、詳細には本明細書で説明されず、当業者は、図６の概略図を参照することができ、図６は、被覆厚みと速度の関係の知られている曲線を示し、これが存在する境界層領域（粘毛細管または粘慣性）に依存し、上記領域は、繊維３の速度によって決まる。一般に、低速範囲では、被覆厚みは速度とともに増加し、一方、高速範囲では、被覆厚みは速度とともに減少することが注意されるべきである。

一例を挙げれば、３ｍ／ｓの繊維走行速度では、粉体流量は、約１２５μｍの直径を有する粒子の金属粉体１６では約１ｇ／ｓとすることができる。これは、約７０μｍの金属が、繊維３上に被覆されことを可能にする。これらの値は、単に例として挙げられ、他の値は、もちろん考えられる。

図１に示されるように、繊維３は、中心に沿ってではなく溶融液体金属１５のボールの一方側を走行し、金属粉体１６は、ボールの反対側に供給されることが好ましく、金属粉体１６を供給するためのゾーン２７と繊維３との距離は、繊維１６が繊維３と接触する前に溶融するためにより多くの時間を有することを可能にする。このように、金属粉体１６のより高い流量が想定されることができる。

さらに、溶融液体金属１５のより良好な均一性のために、複数の粉体供給ゾーン２７が、溶融液体金属１５内に設けられ、それによって、金属粉体１６の供給が、溶融液体金属１５のより大きな領域にわたって分布されることを可能にする。この目的のために、金属粉体１６を供給するための粉体供給モジュール５は、例えば、上述されたディスペンサ１７による複数の粉体ディスペンサを含んでいてもよい。さらに、供給モジュール５は、溶融液体金属１５で金属粉体１６を供給するための複数のゾーン２７を各々供給する１つまたは複数のディスペンサを含んでいてもよい。

図５は、上記の実施形態によるディスペンサを実施するための振動プレート２０’を示す。振動プレート２０’は、上記のように、粉体マウンド２３’が形成されているゾーンを含む。振動プレート２０’は、さらに、漏斗を供給するためのその端部２５’からスタートして、金属粉体の流れ２６を２つの経路に分離するためのパーティション２８を含み、それによって、矢印２６’、２６”によって示されるように、金属粉体１６が２つの異なる供給チューブ（図示せぬ）に供給されることを可能にする。これらの２つの供給チューブは、溶融液体金属１５において金属粉体１６を供給するための２つの異なるゾーン２７に金属粉体１６が供給されることを可能にする。

本発明の様々な実施形態（説明されていない）が可能であることは言うまでもない。例えば、繊維３は、溶融液体金属１５のボールの中心で繰り出されてもよく、金属粉体は、繊維３のまわりに位置する複数のゾーン２７で供給され、繊維３に関して対称であることが好ましい。

さらに、本発明の方法および装置は、金属粉体１６が重力によって供給されること関して示されたが、加圧下で金属粉体が供給されることができることは言うまでもない。

繊維３は、必ずしも垂直に走行せず、特に、水平に走行してもよい。さらに、金属粉体１６は、繊維３のための出口開口を介して必ずしも供給されないが、繊維３に対して横方向に供給されてもよい。

本発明の装置の坩堝の概略断面図を示す。 本発明の装置の概略側面図を示す。 本発明の装置の粉体供給モジュールの概略側面図を示す。 本発明の装置の粉体供給モジュールの振動プレートの第１の実施形態の平面図を示す。 本発明の装置の粉体供給モジュールの振動プレートの第２の実施形態の平面図を示す。 上記溶融液体金属を通る繊維の走行速度に応じて繊維に堆積された金属の厚みの変化を示す図である。

１ 被覆装置
２ 繰り出しモジュール
３ 炭化ケイ素セラミック繊維
４ 液体金属被覆モジュール
５ 供給モジュール
６ 冷却モジュール
７ 被覆ワイヤ
８ 巻き取りモジュール
９ 坩堝
１０ 壁
１１ 第１の開口部
１２ 第２の開口部
１３ 軸芯
１４ ターン
１５ 溶融液体金属
１６ 金属粉体
１７ 粉体ディスペンサ
１８ 粉体容器
１９、２１ 供給チューブ
２０ 振動プレート
２２ 漏斗
２３ マウンド
２７ 粉体供給ゾーン
２８ パーティション
Ｈｓ 高さ

Claims (15)

1. 繊維を金属で被覆するための方法であって、繊維が、溶融液体状の金属を通して引かれて溶融液体状の金属で被覆され、溶融液体状の金属は、「浮遊」式坩堝内に保持され、「浮遊」式坩堝は、溶融液体状の金属と坩堝との接触を少なくとも部分的に取り除き、溶融液体状の金属に、金属粉体によって該溶融液体状の金属と同じ金属が供給され、金属粉体は溶融液体状の金属の金属粉体供給ゾーンに供給され、浮遊された溶融液体状の金属が、溶融液体状の金属中に供給された金属粉体が溶融液体状の金属の内部に向けて引っ張られるように電磁気的に攪拌される、方法。
2. 金属粉体の供給が、該金属粉体が振動プレートによって溶融液体状の金属中に注がれることによってなされる、請求項１に記載の方法。
3. 金属粉体が粉体容器から振動プレートの上に流れ、振動プレートから溶融液体状の金属中に注がれる金属粉体の流量が、粉体容器と振動プレートの間の高さによって、および振動プレートの振動数によって調節される、請求項２に記載の方法。
4. 金属粉体供給が、連続的である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 溶融液体状の金属の複数の金属粉体供給ゾーンに金属粉体が供給される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 金属粉体が重力によって溶融液体状の金属に供給される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 繊維が、セラミック繊維である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 金属が、チタン合金である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 繊維を金属で被覆する装置であって、坩堝を含む繊維被覆モジュールを含み、繊維が、溶融液体状の金属を通して引かれて、溶融液体状の金属で被覆され、溶融液体状の金属は、電磁誘導器により「浮遊」式坩堝内に保持され、「浮遊」式坩堝は、溶融液体状の金属と坩堝との接触を少なくとも部分的に取り除き、装置が、また、溶融液体状の金属中に金属粉体によって該溶融液体状の金属と同じ金属を供給するための粉体供給モジュールを含み、金属粉体は溶融液体状の金属の金属粉体供給ゾーンに供給され、前記電磁誘導器が、浮遊された溶融液体状の金属を、溶融液体状の金属中に供給された金属粉体が溶融液体状の金属の内部に向けて引っ張られるように攪拌するように構成される、装置。
10. 粉体供給モジュールが、溶融液体状の金属中に金属粉体を注ぐための振動プレートを有する少なくとも１つの粉体ディスペンサを含む、請求項９に記載の装置。
11. 粉体ディスペンサが、金属粉体を振動プレートに供給するための少なくとも１つの粉体容器を含む、請求項１０に記載の装置。
12. 粉体ディスペンサが、金属粉体を溶融液体状の金属の複数の金属粉体供給ゾーンに供給する、請求項１０または１１に記載の装置。
13. 粉体ディスペンサが、粉体容器と、振動プレートに金属粉体を供給するためのチューブとを含み、
    振動プレートが、溶融液体状の金属中に重力によって金属粉体を供給するチューブに金属粉体を注ぐように設計されている、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 粉体供給モジュールが、複数の粉体ディスペンサを含む、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 繊維繰り出しモジュールと、坩堝を含む繊維被覆モジュールと、繊維巻き取りモジュールとを含む、請求項９〜１４のいずれか一項に記載の装置。

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